Evrenin en düşük sıcaklıklarında, fizik kuralları beklenmedik şekilde değişebiliyor.
Atomlar, mutlak sıfırın (-273.15 derece Celsius) hemen üzerine kadar soğutulduğunda, direnç göstermeden elektrik iletebiliyor, süper parçacık bulutlarına dönüşebiliyor ya da sürtünmesiz akış sergileyip kaplarının duvarlarına tırmanabiliyorlar.
En küçük ve en soğuk ölçeklerdeki varoluş, evreni oluşturan temel parçacıklar olan bozonlar ve fermiyonların davranışlarını belirleyen kuantum istatistikleri tarafından yönetilir.
Bozonlar, fotonlar veya Higgs bozonu gibi kuvvet taşıyan parçacıklardır. Bu parçacıklar aynı kuantum durumunu paylaşabilir, bu da sınırsız sayıda bozonun üst üste binerek tutarlı dalgalar gibi davranabileceği anlamına gelir.
Fermiyonlar ise elektronlar ve protonlar ile nötronları oluşturan kuarklar gibi parçacıklardır. Bu parçacıklar, Pauli dışarlama ilkesi gereği aynı anda yalnızca tek bir fermiyon kuantum durumunu işgal edebildiği için birbirleriyle 'üst üste binemezler'. Bu ilke aynı zamanda nötron yıldızları ve beyaz cüceler gibi gök cisimlerinin sonsuz küçük kara deliklere çökmesini engeller.
Yakın zamanda fizikçiler, bu prensipleri kullanarak deneyler ve teorik çalışmalarla, kendi kendini organize eden parçacıkların bir denizine benzetilen tuhaf yeni bir kuantum madde fazını tanımladılar.
Önde gelen bir araştırmacı, fermiyonların mevcut enerji durumlarına düzenli bir şekilde yığılarak 'Fermi denizi' adı verilen yapıyı oluşturduğunu belirtiyor. Araştırmacılar, etkileşen atomları sürekli olarak aşırı koşullar altında döngüye sokarak ve onları birbirini itmeden çekmeye doğru yumuşakça kaydırarak ne olacağını anlamaya çalıştılar.
Bunu yapmak için araştırmacılar öncelikle Bose gazı adı verilen egzotik bir madde durumu oluşturdular. Bu, yaklaşık 70.000 sezyum atomunun mutlak sıfırın milyarda biri kadar bir sıcaklığa soğutulmasıyla elde edildi. Bu tür aşırı koşullarda atomlar bireyselliklerini kaybeder ve tek bir birleşik varlık gibi davranmaya başlar.
Ardından araştırmacılar, lazerlerden oluşan bir ağ olan iki boyutlu optik bir kafes tarafından oluşturulan tek boyutlu tüplerin içine bu tekil maddeyi hapsettiler. Lazer ağları, atomların gözlemlenebilmesi için onları yakalamaktadır.
Son olarak, araştırmacılar bu maddeye tekrarlanan etkileşim döngüleri uyguladılar. Bu döngülerde, atomların önce birbirini güçlü bir şekilde itmesi, ardından çekmesi sağlandı.
Bu süreçte, tamamen yeni ve beklenmedik bir şekilde egzotik bir kuantum madde fazı, yani kesirli bir Fermi denizi ortaya çıktı.
Daha önce belirtildiği gibi, bozonlar kuantum durumlarını kısıtlama olmaksızın paylaşabilirken, fermiyonlar bunu yapamaz. Dolayısıyla, bu denizin 'kesirli' olması, kuantum durumlarının yalnızca kısmen işgal edilebildiği bir ara durum anlamına gelir. Bu mekanizma muhtemelen yalnızca düşük boyutlu deneylerde ortaya çıkabilir.
Döngüsel çekim ve itim darbeleri de sezgilere aykırı bir sonuç doğuruyor. Parçacıkları ısıtmak veya rastgele dağıtmak yerine tam tersini yapıyorlar.
Bu yeni madde, kuantum simülasyonlarının ne kadar ileri götürülebileceğini gösteriyor; sadece bilinen modelleri tekrarlamakla kalmayıp, yerleşik paradigmaların ötesine geçen durumlar yaratıp inceleyebiliyoruz.
Bu çalışma, kuantum bilgi ve algılama yeteneklerini geliştirmeye yardımcı olabilir. Hassas veri işleme ve ölçümler sayesinde malzeme bilimi, biyomedicine ve şifreleme teknolojileri gibi alanlarda büyük ilerlemeler kaydedilebilir.
